c++應用網絡編程之二網絡的IO模型

一、網絡編程的開發平臺

一般來說，目前開發者面對的主流開發平臺就是Windows和類Unix，或者干脆就是Windows和Linux平臺。至于如IBM或其它等公司的相關平臺，可能對絕大多數開發者來說，可能一生都遇不到。至于嵌入式平臺，除了專有的網絡通信外，一般情況下，不會有太復雜的網絡編程場景。基本都是借助網絡進行通信，而且大多基本也都是客戶端。
從上面的說明可以大概定義出，網絡編程的平臺，粗略的可以認為，針對絕大多數開發者，或者干脆就是Windows和Linux平臺。
而在網絡編程中，一般來講，客戶端編程是比較簡單的。大多數情況下基本都是一對一的通信，即使有異步等復雜情況，處理起來也相對簡單（不是絕對）。所以謂網絡編程一談起來復雜的原因，其實指的服務端。也就是說，在上述的兩個平臺上，如何進行高并發的服務端編程，這才是網絡編程的復雜度和難度的體現。

二、網絡服務端編程的特點

網絡服務端編程的難點和復雜度在哪兒？有如下幾點：
1、異步編程
即網絡數據的接收與發送的及時處理和非同步話的底層機制（即指排除簡單的網絡編程外）
2、內存管理
網絡IO與上層應用，上層應用與上層應用中大數據的交換時，內存的安全管理
3、多線程或者說線程池（協程）
高并發的網絡天然的需要多線程加快數據的吞吐，同時CPU核數的增加也要求更好的將多線程程與并發（并行）有機的結合起來
4、非阻塞IO
非阻塞IO等同于你做你的，我做我的。有事兒打招呼，沒事兒別找事兒。它的特點是不管有沒有IO可操作（讀寫），都會立即返回，只是返回值不同。即通過返回值可以判斷是否需要再次進行IO操作。所以，基本非阻塞IO都需要一個輪詢的過程。
5、異步IO
這里需要明白的是異步IO與非阻塞IO的不同，雖然二者可能在某些情況下被表述人混淆為一談，但其實是兩回事。異步IO強調的是對IO的異步操作，即更傾向于上層的應用。這個上層指的是IO的上層，可能是內核級也可能是用戶空間級。而非阻塞IO則指的IO操作本身，是否需要等待。異步IO其實是異步與IO操作的結合，當然開發者談起的異步IO，大多都是指異步和非阻塞IO的結合。
6、上述的結合
如果覺得上面的可能都不是多難，那么就一起吧。解決高并發的網絡服務時，把上述的技術融合到一起，如果還覺得得簡單，那么你就成為了一個真正的大牛。

三、網絡編程IO模型

所謂模型，可以理解為處理IO的標準流程或者說動作。而網絡IO模型就是處理網絡IO數據的流程。為了應對網絡IO的處理，無論哪個平臺，都可以抽象成幾個大類的模型：
1、阻塞I/O （blocking I/O）
這個非常容易理解，程序發起IO請求，如果內核沒有準備好，則阻塞，所謂阻塞就是等待，等待著內核準備好再把數據傳遞回來時，再進行動作。舉個例子，朝老婆要錢買東西，老婆去拿錢，你就得一直在原地等待，什么你不等待走了。好吧。錢也沒有了，當然東西也別買了。
2、非阻塞I/O （nonblocking I/O）
這個就有點意思，其實就是在用戶發起IO請求后，內核返回一個值（error，這個值大多數情況下不是一個真正的錯誤）告訴應用程序我開始準備數據了，你先去搞別的吧。回頭我把數據準備好你再來操作。所以上層應用會不斷的通過輪詢機制來查看數據是否準備成功。當然，也有可能已經準備好了，直接就把數據讀過來了，不阻塞。這就比如向老婆要錢買東西，老婆說，我去拿錢，你先忙別的，回頭我把錢放你書桌上。那你就可以去先洗碗，洗一個碗就去書桌看看有沒有錢，沒錢接著洗。直到發現有錢了，高高興興的出去買東西。
3、I/O多路復用（I/O multiplexing）
輪詢肯定不是一種好的機制，所以就出現這種多路復用技術，即內核提供一種機制，允許上層應用監控多個IO，一旦某個IO有動作，就通知上層來發起相關的IO請求。
4、信號機制驅動I/O （signal driven I/O (SIGIO)）
這種機制就比較容易理解了，在上層應用進行IO請求發起時，只是向內核發送信號通知相關操作，然后應用就可以做其它任務了，當內核當相關的IO數據準備好后，向上層應用發送一個信號，上層應用得到信號后就會繼續進行IO操作，從而達到IO請求的一個整體流程。
5、異步I/O（asynchronous I/O (the POSIX aio_functions)）
異步IO其實就上層應用在發起IO請求后，內核不會阻塞IO，會立刻返回一個error，通過其判斷內核的準備狀態，在內核未準備好的情況下，上層應用可以進行其它任務（準備好則繼續進行IO請求，這種情況比較簡單，不討論。當然也可能是真正的錯誤，直接返回即可）。當內核把數據準備完成后，通過通知機制（一般是信號），通知上層應用繼續操作IO。上層應用接到通知后，即再次發起IO請求即可得到相關數據。
這個有點類似于銀行的叫號機制，大家拿了一個號，然后坐在一排椅子上等著窗口叫號，叫到的前去辦理即可。

需要注意的是，對內核來說，IO操作是針對所有IO的，包括網口、串口等等。在網絡編程中，一般的描述中，一般不會明顯的去區分是網絡IO還是其它IO，畢竟大家在這個環境中，應該知道指的就是網絡IO。但是，在網絡應用上支持的一些IO模型未必在其它模型上可用，所以如果嚴格的討論一些具體的問題時，請注意表述的嚴謹性。
在此處還要談一個老生常談的問題，同步、異步與阻塞、非阻塞的關系。同步和異步一般是指多線（進）程間的協調一致或不一致；而阻塞一般是指IO的處理是否等待并交出時間片。二者間沒有必然的聯系。雖然在開發過程中二者聯系非常緊密，但其實它們之間確實是沒有必然的聯系，完全可以不搭界。比如一個IO可以直接連接另外一個IO，根本不過上層。同樣，線程和進程可以完全不訪問IO。
如果二者有關系呢？一般來說，分為以下幾種情況：
1、同步阻塞IO
這種一般用于非常簡單的場景，比如只是一個基本的數據交換或者命令傳遞。沒有并發量。這種情況下，整個線程會被阻塞，然后直到有IO響應。
2、同步非阻塞IO
這種一般用于處理多個IO，比如有三個網口，需要不斷的查詢一些命令數據之類的。所以不能在查詢某一個網絡IO時被阻塞住，誰也不知道另外兩個是不是已經有數據傳遞過來了。但它需要不斷的輪詢導致消耗較多的CPU時間片。
3、異步阻塞IO
這個應用景比較少，一般異步和IO結合后，都是指異步非阻塞IO。異步阻塞IO其實劃分到更細的程度后，其實和同步阻塞IO是一致的，只是邏輯上不同罷了。這種IO模型應用場景非常少。
4、異步非阻塞IO
這個就是常見的異步IO。一般來說，異步操作IO會拿到一個返回值，表示IO已經接收了處理動作。上層應用可以繼續處理其它任務，當此IO動作處理完成后，內核會以一定的機制（信號、回調或者事件等）通知應用進程處理相關數據，從而避免了輪詢的操作。
基本上目前高并發的各種網絡框架、庫及程序等都是基于這種情況進行開發的。